나노결정 연 자성 물질로 제조한 코어를 이용한 유도결합기 특성
Characteristics of inductive coupling unit using toroidal core made of nano-crystalline soft magnetic material
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나노 결정 연 자성 물질은 전기전자 분야에서 고주파 응용을 위해 전력 페라이트 및 무정형 물질을 대체 할 수있는 것으로 알려져 있다. Fe를 기본으로 Si, B, Nb, Cu 등이 첨가된 나노 결정 합금은 낮은 자기 손실, 페라이트보다1.5∼50배 높은 투자율, 그리고 2배 이상 큰 포화 자속밀도 때문에 전력 전자 분야에서 주목받는 재료이다. 나노 결정코어는 통상 15-25 마이크로미터 두께의 리본으로 만들어지며, 주로 공통모드 초크와 인버터 트랜스용 코어 등으로 활용되고 있다. 본 연구에서는 나노 결정 연 자성 코어를 이용하여 비접촉식 유도 결합기를 구현하고 전력선 통신 특성을조사하였다. 제작된 소자의 스펙트럼 분석을 통해 고속 전력선 통신에 사용할 수 있으며, 기존의 페라이트 코어기반 결합기보다 결합손실이 우수함을 확인하였다. 2차 코일 권선 수에 결합손실이 의존하며 권선 수가 증가함에 따라 손실이증가함을 확인하였다. 2차코일 권선이 1회 일 때 나노결정 코어기반 유도 결합기는 80 m 전력선 길이에서도 1 Mbytes/s 이상의 통신 속도를 유지할 수 있게 하였다. 실내 전력선으로 사물인터넷을 위한 센서 네트워크 구축이 가능함을 보여주기 위하여 웹캠을 이용한 비디오 전송을 시도하였으며, 19-20 kbps 통신 속도로 실시간 비디오 전송이 성공적으로 이루어졌다. 연구결과는 기존의 건축물 또는 선박과 같은 거리 제한적인 구조물에 사물인터넷 기반 센서 시스템이나 감시시스템을 구축할 경우 추가적인 통신 선로 확보 없이도 전력선만으로 적용 가능함을 보여주었다.
Abstract
Nano-crystalline soft magnetic materials are known to be able to replace power ferrites and amorphous materials for high frequency applications in the field of electronics and electronics. Fe-based nanocrystalline alloys containing Si, B, Nb, and Cu are attracting attention in the power electronics field due to low magnetic loss, 1.5 to 50 times higher permeability than ferrite, and 2 times higher saturation flux density than ferrite. Nano-crystalline cores are usually made of 15-25 micron thick ribbons and are mainly used for common mode chokes and cores for inverter transformers. In this study, we implemented an inductive coupler using nano-crystalline soft magnetic core and investigated power line communication characteristics. Transmission spectral responses of the fabricated coupler shows that it can be used for high-speed power line communication and has lower coupling loss than conventional couplers made of ferrite core. It was confirmed that the coupling loss depends on the number of secondary coil windings and the loss increases as the number of windings increases. When the secondary coil winding is one turn, the nano-crystalline coupler maintained a communication speed of more than 1 Mbytes/s even at 80 m powerline length. We demonstrated a video transmission using a webcam to show that it is possible to construct a sensor network for the internet of things (IoT) based indoor powerline communication. Real time video transmission was done at 19-20 kbps communication speed. The results of the study show that if an IoT system or a surveillance system is built in a structure with limited space such as a existing building or a ship, it can be usefully applied only to a power line without additional communication lines.
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